Sciencemag.cz
Doporučujeme
Chytré odmrazování. Spontánní separace náboje na povrchu dendritů je spojena s tepelně aktivovaným vznikem iontů H3O+ a OH-.
Skupina vědců z univerzity Virginia Tech (Blacksburg, USA) vyzkoušela novou odmrazovací techniku využívající přirozenou separaci elektrického náboje na povrchu rostoucích ledových krystalů. Částečky ledu se při jejím použití lámou a vyskakují z povrchu obaleného námrazou.
Námraza a s ní spojená nutnost škrábat autoskla může trápit motoristy od raného podzimu do jara. Stejně tak omezuje letový provoz, protože by mohla pozměnit tvar křídla, a tím ovlivnit velikost vztlakové síly. Řidič si většinou musí pomoci mechanickou silou, piloti si nechají křídla ostříkat dvěma kapalinami. První rozpustí led, druhá ochrání povrch letadla na určitou dobu před opětovnou tvorbou námrazy. Nabízí se však i třetí cesta, která spoléhá na elektrostatické pole.
Vysokorychlostní kamera zaměřená na vrstvu ledu na skleněném nebo kovovém povrchu totiž ukázala, že zlomky ledových vloček vyskakují do okolního vzduchu. Tento jev způsobuje rozdíl elektrických nábojů, vznikající při růstu ledových krystalků.
Spontánní separaci elektrického náboje na rostoucích ledových krystalech studovali meteorologové už od roku 1940, většinou v souvislosti se vznikem bouřek. Tehdy zkoumali, jak se mraky nabíjejí. Ledové krystalky mají většinou tvar dendritů, rostou jako rozvětvující se stromové větvičky (řecky dendros znamená strom), které známe ze sněhových vloček. Proto je jinovatka tak ježatá.
Hrot, kde dendrit narůstá, je teplejší než spodek dendritu či podložka. Spontánní separace náboje na povrchu dendritů je spojena s tepelně aktivovaným vznikem iontů H3O+ a OH-. První z nich difundují ve srovnání s druhými více než třikrát rychleji. Při rozdílu teplot 10 °C mezi teplejším a chladnějším koncem dendritu může činit plošná hustota náboje na povrchu substrátu ~10-7 C/m2. Povrch námrazy bude nabit záporně, zatímco základ u podkladu bude mít kladný náboj.
V rámci experimentu autoři výzkumu nastříkali nad namrzlý povrch kapalnou vodu. Protože jsou molekuly vody silně polární, uspořádaly se v kapičkách v elektrickém poli negativně nabitého povrchu jinovatky tak, že v částech kapek blíže k namrzlému povrchu převažoval kladný náboj a na vzdálenějších částech náboj záporný. Jednotlivé větve dendritů začaly být elektrostaticky přitahovány ke kapkám vody, odlamovaly se, vyskakovaly z povrchu námrazy a lepily se na kapky vody. Vědci provedli i simulační výpočty dynamiky skoků a jejich závěry se dobře shodují s pohyby pozorovanými vysokorychlostní kamerou. Jev byl dokumentován jak na skleněném podkladu, tak na kovových površích.
Jako další krok plánují výzkumníci nahradit vodní aerosol nabitými deskami. Slibují si od toho, že se jim podaří pomocí aktivních elektrod odstraňovat masivní vrstvy námrazy až na samotný povrch substrátu.
Zdroje:
Electrostatic Jumping of Frost. Ranit Mukherjee, S. Farzad Ahmadi, Hongwei Zhang, Rui Qiao, and Jonathan B. Boreyko. ACS Nano 2021 15 (3), 4669-4677. DOI: 10.1021/acsnano.0c09153
Ice crystals jump off surfaces in new electrostatic de-icing technique – Physics World. Home – Physics World [online]. Copyright © 2021 by IOP Publishing Ltd and individual contributors [cit. 29.03.2021]. Dostupné z: https://physicsworld.com/a/ice-crystals-jump-off-surfaces-in-new-electrostatic-de-icing-technique/
Autoři: Ivana Stulíková, Luboš Veverka
Převzato z Matfyz.cz.
